压力检测ppt课件.ppt

5压力检测 Contents 5 1 1压力的单位 定义 垂直均匀地作用在单位面积上的力 用p表示 即物理学中定义的压强 1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1 帕斯卡 简称 帕 符号为Pa Pa帕斯卡为压力法定单位 还用有千帕 kPa 兆帕 MPa 其他压力单位有工程大气压 标准大气压 毫米水银柱 毫米水柱等 需进行换算 5 1 2压力的几种表示方法 绝对压力 被测介质作用在容器表面积上的全部压力大气压力 由地球表面空气柱重量形成的压力表压力 绝对压力和大气压力之差真空度 绝对压力小于大气压力时 表压力为负值 负压力 其绝对值称为真空度差压 设备中两处的压力之差实际应用时可通过测差压 间接测量流量 物位 图示各种压力表示法之间的关系 绝对零压力 绝对压力 大气压力 表压力 绝对压力 负压力 真空度 差压 pb pi pd pz pd pi 绝对压力 5 1 3压力检测的主要方法及分类 重力平衡方法 液柱式压力计 基于液体静力学原理 原理 基于液体静力学原理 被测压力与一定高度的工作液体产生的重力平衡 被测压力可转换成液柱高度 如U形管压力计 特点 1 基本特点 适用于低压 负压和压力差的测量 上限0 1 0 2MPa 精度达 0 02 0 15 可用作标准仪器 2 优点 结构简单 价格低 3 缺点 不易远传 填充液为水银 有毒 且玻璃管易碎 5 1 3压力检测的主要方法及分类 重力平衡方法 负荷式压力计 原理 基于重力平衡原理 如 活塞压力计 将被测压力转换为平衡重物的重量来测量 特点 1 基本特点 适用于测量正压 负压和绝对压力 测压上限高 多用作校验仪表 2 优点 测量范围宽 如单活塞压力计测量范围达0 04 2500MPa 精度高 0 01 性能稳定可靠 3 缺点 结构复杂 成本较高 5 1 3压力检测的主要方法及分类 机械力平衡方法 原理 将被测压力经变换元件转换成一个集中力 用外力与之平衡 通过测量外力得到被测压力 特点 1 基本特点 多用于电动和气动组合仪表中 2 优点 可达较高的精度 3 缺点 结构复杂 成本较高 5 1 3压力检测的主要方法及分类 弹性力平衡方法 原理 利用弹性元件弹性变形的特性 变形产生的弹性力与被测压力相平衡 测变形即可知压力 弹簧管式压力计 波纹管差压计等 特点 1 基本特点 可测压力 负压 绝对压力和压差 2 优点 类型多 应用广 5 1 3压力检测的主要方法及分类 物性测量方法原理 在压力作用下 测压元件的某些物理特性会随之发生变化的特性 压阻效应 压电效应 分类电测式压力计压力变成电量 测电量知压力其他新型压力计 如集成式压力计 光纤压力计等 5 2常用压力检测仪表 5 2 1弹性压力计原理 弹性元件在弹性限度内受压变形 其变形大小与外力成比例 弹性压力计的组成框图 受力变形 位移信号变换 显示 调整仪表零点和量程 5 2 1弹性压力计 测压弹性元件工作原理 感受液体或气体的压力或压力差 输出位移1 弹性膜片 外缘固定 圆形片状 中心位移与压力的关系表示 弹性特性具有良好线性关系 2 波纹管 壁面具有多个同心环状波纹 一端封闭 封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系3 弹簧管 圆弧状 不等轴截面金属管 自由端位移 测压弹性元件 1 种类 弹性膜片 波纹管 弹簧管 弹性膜片 弹性特性是中心位移与压力的关系 平膜片 波纹膜片 挠性膜片 测力弹簧 波纹管 弹性特性是封闭端位移与压力在一定的范围内成线性关系 注意 1 使用应在线性段 可内加螺旋弹簧改善特性 2 用波纹管作弹性元件的压力计 一般用于测量较低压力或压差 测压弹性元件 弹簧管 弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系 单圈弹簧管 多圈弹簧管 测压弹性元件 弹性敏感元件 弹簧管 敏感元件在传感器中直接感受被测量 并转换成与被测量有确定关系 更易于转换的非电量 弹性敏感元件 弹簧管 在下图中 弹簧管将压力转换为角位移 弹簧管放大图 当被测压力p增大时 弹簧管撑直 通过齿条带动齿轮转动 从而带动指针角位移 其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移 2 材料 弹性元件常用的材料有铜合金 弹性合金 不锈钢等 不同的材料适用于不同的测压范围和被测介质 近年来随着新材料的出现和发展 半导体硅材料得到了更多的应用 测压弹性元件 结构 工作过程 接头 自由端 拉杆 扇形齿轮 中心齿轮 指针偏转 指示压力 消除两啮合齿轮间隙 减小仪表变差 调整仪表机械零点 改变机械传动的连接点 调整仪表量程 被测压力 5 2 1 2弹簧管压力计 问题 如何改变仪表灵敏度与量程 特点 结构简单 使用方便 价格低 测压范围宽 可测量负压 微压 低压 中压和高压 应用广泛 精确度可达 0 1级 弹簧管压力计 优点 缺点 只能就地指示 是现场直读式仪表 5 2 1 3波纹管差压计 结构 测量机构包括波纹管 1 10 量程弹簧组 11 和扭力管 6 等 5 2 1 3波纹管差压计 工作过程 差压信号 低压波纹管自由端带动连杆右移 挡板推动摆杆 扭力管逆时针偏转 芯轴逆时针转 显示机构 三阀组合作用 补偿波纹管作用 量程弹簧作用 5 2 1 4弹性测压计信号的远传方式 弹性元件的变形或位移转换为电信号输出 即可实现远距离信号传送 电位器式 结构简单 线性化好 电位器易磨损 可靠性差 霍尔元件式 霍尔效应 通电导体在磁场中产生电动势 在不均匀磁场中运动 输出电势对应位移 结构简单 灵敏度高 寿命长 但易受外部磁场干扰 不均匀磁场 霍尔元件式 原理 霍尔效应 5 2 1 4弹性测压计信号的远传方式 霍尔元件图 基于半导体材料的霍尔效应 将自由端的位移通过霍尔元件转换成电压信号输出 霍尔元件输出的电势正比与磁感应强度 对应于自由端位移 由此得出被测压力值 特点 结构简单 灵敏度高 寿命长 对外部磁场敏感 耐振性差 局部放大图见右图 霍尔元件工作原理 霍尔开关 霍尔传感器 5 2 2力平衡式压力计 原理 反馈力平衡 力平衡式压力计的基本框图 压力 位移或力 比较输出 信号转换 最终稳定输出 力平衡式压力计工作原理图 uC p1 p2差压Fp使杠杆转动 差动电容变换器 电桥输出电压uC 伺服电动机 执行电动机 在控制系统中 用作执行元件 把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出 uC经放大后 驱动 脉冲信号 伺服电机转动 带动输出轴转动指示杠杆转角的大小 另一方面使螺栓转动 改变反馈弹簧施加在杠杆上的力Fxs 当Fp的力矩与Fxs的力矩相平衡时 系统重新处于平衡状态 力矩平衡时 输出轴转角 螺栓旋转周数 与压力差 p成比例 5 2 3压力传感器 检测压力值并提供远传信号的装置 常见形式有应变式 压阻式 电容式 压电式 振频式 5 2 3 1应变式压力传感器原理 基于 应变效应 导体和半导体材料发生机械变形时 其电阻值将发生变化金属材料的K值约为2 6 半导体材料K值60 180应变元件可做成丝状 片状和体状 金属应变片 为材料的应变大小k为材料的电阻应变系数 应变式压力传感器应用 各种电子秤吊秤 高精度电子汽车衡 几种应变式测量的结构示意 各种应变元件与弹性元件配用 组成应变式压力传感器 多应变片起到测量均衡与补偿作用 平行双孔梁传感器 5 2 3 2压阻式压力传感器 固体材料在应力作用下发生形变时 其电阻率发生变化的现象被称为 压阻效应 是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的 是一种新型传感器 硅平膜片受压变形 压阻式压力传感器结构示意图 利用桥式测量电路 桥臂电阻对称布置 电阻变化时 电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系 1 硅平膜片 2 低压腔 3 高压腔 4 硅杯 5 引线 P1 P2 应力分径向应力 r和切向应力 t 与位置有关 适当安排扩散电阻位置 可以组成差动电桥 测量桥路及温度补偿 为减少温度影响 压阻器件一般采用恒流源供电 常设电桥中两个支路的电阻相等 对称互补 即RABC RADC 2 R RT 故有因此 电桥的输出为 USC I R 电桥输出与电阻变化成正比 即与被测量成正比 与恒流源电流成正比 即与恒流源电流大小和精度有关 不受温度的影响 相邻桥臂应力方向相反 5 2 3 3电容式压力传感器 利用电容器的原理 将非电量转换成电容量 进而实现非电量到电量的转化的器件或装置 测量范围大 灵敏度高 结构简单 适应性强 动态响应时间短 易实现非接触测量等 电容式传感器应用 压力 位移 厚度 加速度 液位 物位 湿度和成分含量等测量 电容式传感器应用 电容式接近开关 电容式指纹传感器 差压传感器 电容式差压变送器 高压侧进气口 低压侧进气口 电子线路位置 内部不锈钢膜片的位置 电容式压力传感器原理 d S和中的某一项或几项有变化时 就改变了电容C的变化 通过电容量测量可以反映线位移或角位移的变化 也可以间接反映压力 加速度等的变化 的变化则可反映液面高度 材料厚度等的变化 两室结构的电容式压力传感器原理 原理 弹性元件的位移转换为电容量的变化对于差动平板电容器 其电容变化与板间距离变化的关系为 1 4 隔离膜片 2 3 不锈钢基座 5 玻璃绝缘层 6 固定电极 7 弹性膜片 8 引线 P1 P2 硅油 硅油 差动平板电容器工作原理 初始状态 两侧压力相等 可动极板位于中间 则 测压状态 设右侧压力大于左侧 中间可动极板向左移动 d 则 利用电容差压变送器测量液体的液位 差压变送器 施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比 p gh 投入式水位计 5 2 3 4振频式压力传感器 原理 利用感压元件本身的谐振频率与压力变化的关系 通过测量频率信号的变化来检测压力在一定的压力作用下 变化后的振筒频率可以近似表示为传感器由振筒组件和激振电路组成 体积小 输出频率信号 精度高 适用气体测量 振筒式压力传感器结构示意1 激振线圈 2 支柱 3 底座 4 引线 5 外壳 6 振动筒 7 检测线圈 8 压力入口 P 振筒式压力传感器的结构示意图 特点 适用于气体压力的测量 其体积小 输出频率信号 重复性好 耐振 精度高 且有良好的稳定性 5 2 3 5压电式压力传感器 压电式传感器是一种典型的发电型传感器 以电介质的压电效应为基础 在外力作用下 在电介质表面产生电荷 从而实现非电量测量 压电式传感器可以对各种动态力 机械冲击和振动进行测量 不适应缓慢变化与静态压力 压电式传感器具有响应频带宽 灵敏度高 信噪比大 结构简单 工作可靠 重量轻等特点 5 2 3 5压电式压力传感器 压电材料 石英晶体 压电陶瓷 压电半导体 高分子压电材料原理 压电材料受到压力作用时产生电荷 外力去除后电荷消失 在弹性范围内 压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系 q为电荷量 k为压电常数S为作用面积 p为压力 石英晶体 压电陶瓷 正压电效应 动画显示 逆压电效应 动画显示 压电式压力传感器结构示意 1 绝缘体 2 压电元件 3 壳体 4 膜片 压电式传感器体积小 结构简单 工作可靠 不需外加电源 测量范围大 精度高 但输出阻抗高 需特殊信号传输线 温度效应大 压电式传感器在交通监测中应用 将高分子压电电缆埋在公路上 可以获取车型分类信息 包括轴数 轴距 轮距 单双轮胎 车速监测 收费站地磅 闯红灯拍照 停车区域监控 交通数据信息采集 道路监控 及机场滑行道等 应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米 平行埋设于柏油公路的路面下约5cm 可以用来测量车速及汽车的载重量 并根据存储在计算机内部的档案数据 判定汽车的车型 压电式玻璃破碎报警器 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上 可以感受到玻璃破碎时会发出的振动 并将电压信号传送给集中报警系统 粘贴位置 使用时 用瞬干胶将其粘贴在玻璃上 当玻璃遭暴力打碎的瞬间 压电薄膜感受到剧烈振动 表面产生电荷Q 在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号 5 2 3 6集成式压力传感器 采用微机械加工 微电子集成工艺制成集成化传感器 形成各种智能仪表 可以同时检测差压 静压 温度三个参数 集成传感器的敏感元件示意1 温度元件 2 静压元件 3 差压元件 4 硅杯 5 固定台 集成式压力传感器组成框图 预存针对此传感器的修正公式 采入三种信号后进行处理 可以给出修正后的被测差压值 静压值以及温度值 新型传感器 压阻式 微电容式 微谐振式特点 重量轻 功耗低 响应快 集成化 5 3测压仪表的使用及压力检测系统 5 3 1测压仪表的使用5 3 1 1测压仪表的选择类型测量对象 原理 使用环境 功能测量范围一般在量程的1 3 2 3估算被测压力上下限后 按压力仪表的标准系列选定量程 测量精度注意经济性 满足需求 工业测量在0 5级以下 例题 有一压力容器在正常工作时压力范围为0 4 0 6MPa 要求使用弹簧管压力表进行检测 并使测量误差不大于被测压力的4 试确定该表的量程和精度等级 解 由题意可知 被测对象的压力比较稳定 设弹簧管压力表的量程为A 则根据最大工作压力有 根据最小工作压力有 根据仪表的量程系列 可选用量程范围为0 1 0MPa的弹簧管压力表 由题意 被测压力的允许最大绝对误差为 要求所选仪表的相对百分误差为 按照仪表的精度等级 可选择1 5级的压力表 例题 续 5 3 1 2测压仪表的校验 仪表出厂前需检定 常用压力校验仪器有液柱式压力计 活塞式压力计或配有高精度标准表的压力泵 标准仪表的选择原则 其允许绝对误差要小于被校仪表允许绝对误差的1 3 1 5 活塞式压力校验系统1 测量活塞 2 砝码 3 活塞筒 4 螺旋压力发生器 5 工作液 6 被校压力表 7 手轮 8 丝杆 9 工作活塞 10 油杯 11 进油阀 a b c 切断阀 d 进油阀 原理 螺旋压力推进器产生压力 活塞砝码重力平衡 压力表读数 校验 5 3 2压力检测系统 一套测量系统包括测量仪表 取压口 引压管路 5 3 2 1取压点